乔杰与汤富酬合作团队在Nature Cell Biology发表人类植入前胚胎多组学研究新进展

2018年6月18日，北京大学第三医院乔杰院士研究团队和北京大学生命科学学院汤富酬研究员研究团队合作，在《自然细胞生物学》（Nature Cell Biology，IF=20.06)杂志在线发表人类植入前胚胎多组学研究新进展——“人类早期胚胎的单细胞多组学测序”（Single-cell Multi-omics Sequencing of Human Early Embryos）。该研究利用国际领先的单细胞COOL-seq技术，首次在单细胞水平绘制了人类植入前胚胎发育过程中的全基因组DNA甲基化和染色质状态图谱，进一步解析了胚胎发育阶段复杂而协调的表观遗传重编程过程。

北医三院乔杰团队与北京大学汤富酬团队长期密切合作，致力于揭示人类发育过程中基因表达与表观遗传学调控机制，绘制了完整的人类着床前胚胎的高精度单细胞转录组图谱(Nature Structural & Molecular Biology, 2013)，对人类早期胚胎及原始生殖细胞发育过程中DNA甲基化组重编程进行了系统研究（Nature，2014；Cell，2015），为深入理解人类胚胎发育及配子发生过程中的分子机制提供了重要依据。2018年1月，合作团队对人类植入前胚胎发育过程进行了更加深入的分析，揭示了人类早期胚胎DNA去甲基化和从头加甲基化的动态变化及父母源基因组差异甲基化等关键特征(Nature Genetics, 2018)。

本研究旨在进一步揭示染色质状态在DNA甲基化重编程过程中的动态重构过程、亲本特异的染色质状态以及多组学之间的关系。通过运用单细胞多组学测序技术（single-cell COOL-seq），区分出整倍体和非整倍体细胞，利用整倍体胚胎的单细胞数据，系统描绘了人类植入前胚胎发育过程中多个关键阶段表观基因组多个层面的动态变化。

该项研究的主要发现包括以下几方面：

（1）在受精后19小时内，来自精子的父源基因组和来自卵母细胞的母源基因组都进行了大规模的染色质重构，父源基因组染色质被迅速打开，而母源基因组染色质的开放程度降低。随后染色质开放程度同时回落，到8-细胞期胚胎合子基因组激活后再次增加，桑椹胚时期达到最高点（图1）。与小鼠相似，人类胚胎中近端染色质开放区域具有强烈的发育阶段特异性，更重要的是近端染色质开放区域在合子基因激活时期，即4-细胞到8-细胞时期，发生了最剧烈的染色质重构过程。

（2）研究发现，与小鼠不同，人类卵母细胞受精后，父源基因组的染色质迅速开放，开放程度迅速超过母源基因组，这种开放程度的不对称状态一直持续到4-细胞阶段（图2）。这可能更有利于DNA去甲基化酶在父源基因组上的结合，从而加速父源基因组的去甲基化进程以及其它表观遗传学重编程进程。而小鼠胚胎在受精后每个胚胎细胞中父源与母源基因组染色质的开放程度相似，并且一直维持这种对称状态。

（3）该研究实现了对人类与小鼠着床前胚胎父母源基因组染色质开放程度的系统定量比较（图3）。与小鼠胚胎相比，人类着床前胚胎具有更开放松散的染色质结构，而这一松散的染色质结构有可能更容易出现基因组不稳定性，进而导致人类着床前胚胎发育阻滞比例较高、囊胚率低于小鼠（人类胚胎的囊胚发育率只有40-60%，而小鼠胚胎的囊胚发育率高达95%以上）。人类和小鼠染色质状态重构模式的差异刚好与这两个物种合子基因激活时间的差异吻合。

（4）每个雌性细胞中有两条X染色体，其中一条来自精子（父源X染色体），另外一条来自卵细胞（母源X染色体）。本研究发现在人类女性胚胎中，受精后父源X染色体迅速去甲基化并激活，到2-细胞期远低于母源X染色体的DNA甲基化水平，之后维持这一不平衡状态。同时，从受精卵到4-细胞期，父源X染色体的染色质状态比母源的更开放（图4）。

（5）研究首次发现，在人类胚胎植入前发育时期，DNA去甲基化和染色质重构在不同的基因组元件是不同步的。受精后表现出高度DNA甲基化异质性的基因，和表现出高度染色质状态异质性的基因是不同的两类。

（6）利用转录抑制试验，研究发现持续转录作为反馈机制，对于大量基因维持其启动子区域染色质持续处于开放状态具有重要作用。与对照组相比，经转录抑制的受精卵在8-细胞期有1700多个（35%）基因失去启动子区的染色质开放状态。

（7）该研究结合染色质开放程度和DNA甲基化信息，进行了人类和小鼠的候选增强子预测，得到人类着床前胚胎的37000多个候选增强子区域。发现对于人类和小鼠着床前胚胎中的染色质处于开放状态的候选增强子，只有700多个是在这两个物种中同时处于染色质开放状态，说明在着床前胚胎发育过程中处于活跃状态的增强子具有很强的物种特异性。与此同时，该研究对人类着床前胚胎中鉴定出的接近40万个染色质开放区域（NDR）进行了转录因子结合富集分析，发现相对于滋养外胚层细胞，多能性的内细胞团中的远端（距离基因转录起始位点2kb以外）染色质开放区域更富集转录因子ZNF281的结合序列；而相对于内细胞团，滋养外胚层细胞中的远端染色质开放区域更富集转录因子CDX2、TFAP2C（AP2γ）的结合序列，这为今后研究人类着床前胚胎发育过程中转录因子调控下游基因表达奠定了基础。

本研究利用单细胞多组学高通量测序技术，系统分析了整倍体人类植入前胚胎的DNA甲基化重编程及伴随的染色质状态重构，加深了对人类胚胎表观遗传重编程过程的理解。研究首次揭示了人类早期胚胎发育过程中，父母源基因组的DNA甲基化与染色质状态的不对称分布。另外，研究定量比较了人类和小鼠胚胎的染色质状态，发现物种保守性及特异性的表观遗传学特征。这为今后人们继续研究人鼠两个物种早期胚胎中表观遗传学的异同奠定了理论基础，明确了利用小鼠作为模式生物研究哺乳动物早期发育的优势和局限性。本研究为探究临床上胚胎发育阻滞、着床失败、反复流产等问题的发生机制及诊治策略提供了新的思路和研究方法。

该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市科学技术委员会、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大-清华生命科学联合中心（CLS）等的资助。